专题11 动量与能量观点在电磁感应中的应用-2020高考物理力学难点解析之动量与能量

《2020高考物理力学难点解析之动量与能量》 专题11 动量与能量观点在电磁感应中的应用 【方法总结】 解决电磁感应问题往往需要力电综合分析，在电磁感应问题中需要动量与能量分析求解时，学生往往无从下手，属于压轴考查，需要学生平时吃透典型物理模型和积累解题经验，现将动量与能量观点求解电磁感应综合问题时常出现典型模型和思路总结如下： 1. “双轨+双杆”模型 以“2019全国3卷第19题”物理情景为例：如图，方向竖直向下的匀强磁场中有两根位于同一水 平面内的足够长的平行金属导轨，两相同的光滑导体棒ab、cd静止在导轨上。t=0时，棒ab以初速度v0向右滑动。运动过程中，ab、cd始终与导轨垂直并接触良好： 模型分析：双轨和两导体棒组成闭合回路，通过两导体棒的感应电流相等，所受安培力大小也相等，ab棒受到水平向左安培力，向右减速；cd棒受到水平向右安培力，向右加速，最终导体棒ab、cd系统共速，感应电流消失，一起向右做匀速直线运动，该过程由导体棒ab、cd组成的系统合外力为零，动量守恒： 2. 巧用“动量定理”求通过导体电荷量 思路：动量定理得： ，由于 ，所以 ， 即： 【精选试题解析】 1. （2019全国Ⅲ卷）如图，方向竖直向下的匀强磁场中有两根位于同一水平面内的足够长的 平行金属导轨，两相同的光滑导体棒ab、cd静止在导轨上。t=0时，棒ab以初速度v0向右滑动。运动过程中，ab、cd始终与导轨垂直并接触良好，两者速度分别用v1、v2表示，回路中的电流用I表示。下列图像中可能正确的是（ ） 2. [多选]如图所示，两根相距为d的足够长的光滑金属导轨固定在水平面上，导轨电阻不计。磁感应强度为B的匀强磁场与导轨平面垂直，长度等于d的两导体棒M、N平行地放在导轨上，且电阻均为R、质量均为m，开始时两导体棒静止。现给M一个平行导轨向右的瞬时冲量I，整个过程中M、N均与导轨接触良好，下列说法正确的是(　　) A．回路中始终存在逆时针方向的电流 B．N的最大加速度为 C．回路中的最大电流为 D．N获得的最大速度为 3. （2019浙江选考）如图所示，在间距L=0.2m的两光滑平行水平金属导轨间存在方向垂直于 纸面（向内为正）的磁场，磁感应强度为分布沿y方向不变，沿x方向如下： 导轨间通过单刀双掷开关S连接恒流源和电容C=1F的未充电的电容器，恒流源可为电路提供恒定电流I=2A，电流方向如图所示。有一质量m=0.1kg的金属棒ab垂直导轨静止放置于x0=0.7m处。开关S掷向1，棒ab从静止开始运动，到达x3=－0.2m处时，开关S掷向2。已知棒ab在运动过程中始终与导轨垂直。求： （提示：可以用F－x图象下的“面积”代表力F所做的功） （1）棒ab运动到x1=0.2m时的速度v1； （2）棒ab运动到x2=－0.1m时的速度v2； （3）电容器最终所带的电荷量Q。 4. 电磁轨道炮利用电流和磁场的作用使炮弹获得超高速度，其原理可用来研制新武器和航天 运载器。电磁轨道炮示意如图，图中直流电源电动势为E，电容器的电容为C。两根固定于水平面内的光滑平行金属导轨间距为l，电阻不计。炮弹可视为一质量为m、电阻为R的金属棒MN，垂直放在两导轨间处于静止状态，并与导轨良好接触。首先开关S接1，使电容器完全充电。然后将S接至2，导轨间存在垂直于导轨平面、磁感应强度大小为B的匀强磁场（图中未画出），MN开始向右加速运动。当MN上的感应电动势与电容器两极板间的电压相等时，回路中电流为零，MN达到最大速度，之后离开导轨。问： （1）磁场的方向； （2）MN刚开始运动时加速度a的大小； （3）MN离开导轨后电容器上剩余的电荷量Q是多少。 5. 如图所示，水平光滑金属导轨在同一水平面上，间距分别为L和 ，间距为L的导轨有一 小段左右断开，为使导轨上的金属棒能匀速通过断开处，在此处铺放了与导轨相平的光滑绝缘材料(图中的虚线框处）。质量为m、电阻为Rl 的均匀金属棒ab垂直于导轨放置在靠近断开处的左侧，另一质量也为m、电阻为R2的均匀金属棒cd垂直于导轨放置在间距为 的导轨左端。导轨MN和PQ、M′N′和P′Q′都足够长，所有导轨的电阻都不计。电源电动势为E、内阻不计。整个装置所在空间有竖直方向的、磁感应强度为B的匀强磁场。闭合开关S，导体棒ab迅即获得水平向右的速度v0并保持该速度到达断开处右侧的导轨上。求： (1)空间匀强磁场的方向； (2)通过电源E某截面的电荷量； (3)从导体棒ab滑上导轨MN和PQ起至开始匀速运动止，这一过程中棒ab和棒cd组成的系统损失的机械能。 6. 如图所示，PQ和MN是固定于倾角为30°斜面内的平行光滑金属轨道，轨道足够长，其电 阻忽略不计。金属棒ab、cd放在轨道上，始终与轨道垂直且接触良好。金属棒ab的质